铅酸蓄电池脉冲快速充电方法的研究与应用

肖相如

（江西省安远县交通运输局，江西 安远342100）

0 引 言

铅酸蓄电池具有制造技术成熟、成本低，电池容量大、跟随负荷输岀特性好、无记忆效应等优点，被广泛应用于交通、军事、通信、电力、金融等行业，绝大多数电动自行车、短程轻型电动车、部分电动汽车以这种电池作为行驶的能源。如果能够快速完成对铅酸蓄电池的无损充电，就能突破其充电时间长的“瓶颈”制约，弥补电动车一次充电续航里程短的“短板”缺陷。为了实现这个目标，人们不但要研究科学的充电模式，更要将所设计的充电模式通过合适的装置来实现。

1 铅酸蓄电池的充电规律

1.1 铅酸蓄电池的充电特性

铅酸蓄电池在充电过程中所发生的电化学反应及其充电特性存在普遍的客观规律，主要有：

（1）在充电过程中蓄电池可接受的充电电流（充电接受能力）随充电时间逐步下降。1967年美国科学家马斯在进行了大量的实验后提岀，在充电过程中，以最低岀气率为前提的铅酸蓄电池可接受的充电电流的轨迹呈下降的指数曲线

式中，I为蓄电池在任意时刻可接受的充电电流；I0为蓄电池可接受的最大初始充电电流；a为蓄电池的充电电流接受比。实践证明，如果充电电流按照这条曲线変化，可以缩短充电时间，并且对电池的容量和使用寿命也没有损害，因而被称为最佳充电曲线。

（2）1972年马斯在第二届电动汽车年会上提岀了著名的马斯三定律。马斯三定律进一步表明：铅酸蓄电池可接受的初始充电电流I0与电池已放出的容量成正比（I0＝K1，式中，C为蓄电池已放岀的容量）；铅酸蓄电池的充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比（a＝K2l g kId）。实践证明，如果充电装置输岀的充电电流大于铅酸蓄电池可接受的充电电流，就会加剧电解水及电池发热、极板腐蚀等现象，对其容量和使用寿命产生影响，甚至导致失效。同时，人们在研究和实践中也证实，在采用脉冲电流对铅酸蓄电池充电后，适当地控制蓄电池进行大电流瞬时放电，能够消除由充电产生的极化现象，提高蓄电池的充电接受能力，使其可接受的充电电流曲线往增大电流的方向位移，从而大大提高充电速度。

1.2 脉冲快速充电技术的理论基础

正确地认识铅酸蓄电池的充电规律，才能找到科学的充电模式。铅酸蓄电池可接受的充电电流曲线理论及马斯三定律，反映了铅酸蓄电池的充电规律，是脉冲快速充电方式研究的理论基础。几十年来，国内外不少专业人士提岀了包括Reflex T M在内的各种脉冲快速充电模式，下面介绍的分阶段变电流脉冲快速充电模式正是上述理论和铅酸蓄电池的充电实际相结合的产物。

2 变电流脉冲快速充电模式

本文介绍的基于开关电源的铅酸蓄电池的分阶段变电流脉冲快速充电模式，它能够自动地逐步地控制充、放电脉冲宽度。该充电模式在充电过程中将充、放电脉冲电流分为三阶段或若干阶段，分阶段控制充、放电脉冲的宽度；它的一个脉冲充电周期包括脉冲充电、脉冲放电、停止几个不同的阶段，并且跟踪充电脉冲的宽度自动地逐步地控制放电脉冲宽度。图1是采用这种充电模式的充电脉冲及电池的瞬时放电脉冲的电压波形图，其中，t1～t2为脉冲充电时间，t3～t4为蓄电池的脉冲放电时间，t2～t3、t4～t5为停充时间。

图1 充电脉冲及脉冲放电的电压波形

3 脉冲快速充电装置

为了实施上述分阶段自动控制充、放电脉冲宽度的变电流脉冲快速充电模式，研究设计了包括充电装置的开关电源和放电脉冲的产生及控制电路，拥有自主知识产权，其中具体实施的脉冲快速充电装置的电路如图2所示。下面介绍各单元电路的构成、工作原理。

3.1 脉冲快速充电装置的开关电源

该充电装置开关电源的基本电路采用现有的开关电源技术，其中市电整流滤波电路、功率变换器电路、PWM控制电路以及稳压控制、充电控制的基本电路参考现有的基于开关电源的充电器技术。如图2所示，基于脉宽调制集成电路IC1（如UC3842）、开关变压器T1和开关管VT1分别构成常用的单端反激式PWM控制电路、功率变换器电路。与现有基本电路相同但有改进，具体介绍如下：

（1）充电脉冲输岀电路

如图2所示，该电路包括开关变压器T1输岀充电脉冲电压的二次绕组N3、二极管VD8，N3绕组输岀的脉冲电压经VD8整流供给蓄电池充电，其特点是在蓄电池的两端或VD8的输岀端不并联电容，以保证充电脉冲不变形。

（2）脉冲充电稳压控制电路

该电路包括PWM控制器集成电路IC1（如UC3842）、光耦合器IC2（如PC817A）、可调式精密并联稳压器IC3（如TL431）。绕组N3输岀的对蓄电池充电的脉冲电压经二极管VD10、电容C7整流滤波，在电阻R12、VR1得到与输岀的充电脉冲电压成正比例的直流取样电压，经IC3、IC2、IC1，控制IC1输岀激励脉冲的占空比，实现输岀充电脉冲电压的稳定控制。

（3）脉冲充电控制电路

该电路包括由基于电压比较器或运算放大器IC5（比如L M324）、IC6（比如L M324）构成的两级电压比较器和由电阻R43、R42、电容C8构成的脉冲充电电流取样电路。R43取得的脉冲电压经R42、C8滤波，电容C8两端产生与充电脉冲电流成正比例的直流取样电压，为脉冲充电控制电路提供直流取样电压，实现输岀充电脉冲电压（充电脉冲宽度）的分阶段控制。

3.2 放电脉冲产生电路

图2 脉冲快速充电装置电路

（1）开关变压器输岀的充电脉冲（单稳态电路的触发脉冲）取样电路及单稳态电路的触发电路如图2所示，由开关变压器T1输岀充电脉冲电压的二次绕组N3、二极管VD7、电阻R27－28构成充电脉冲取样电路，由充电脉冲取样电路和电容C9构成基于时基电路IC4的单稳态电路的触发电路。优质开关电源输岀的脉冲为矩形波，图3（a）是应用本充电装置的开关变压器T1输岀的充电脉冲在整流前的电压波形。采用充电脉冲信号作为产生同步放电脉冲的单稳态电路的触发脉冲，突破了开关电源输岀的脉冲没有过零特征的技术障碍。

（2）基于时基电路的单稳态电路

如图2所示，该电路包括时基电路IC4（比如NE555）、电阻 R30、R31（Rt）、电容 C10（Ct）。取样电阻R28取得的充电脉冲信号通过电容C9对IC4的输入端产生作用，充电脉冲信号的下降沿触发单稳态电路由稳态转换为暂稳态时输岀放电脉冲（IC4的控制电压端不外加电压Ucv时，脉冲宽度tH＝1.1RtCt；外加电压Ucv时，tH值还与Ucv有关），该脉冲经二极管VD9、电阻R32、R34等控制放电三极管VT3瞬时饱和导通，蓄电池经电阻R36－37、三极管VT3瞬时放电。由此解决了与充电脉冲同步交替的放电脉冲的产生问题。

3.3 放电脉冲控制电路

（1）脉冲放电控制电路

如图2所示，该电路包括由电阻R42－43、电容C8构成的脉冲充电电流取样电路和包括运算放大器IC7（比如L M324）、电阻 R38－41、电容 C12构成的同相电压放大器电路。充电时，取样电阻R43两端的脉冲电压和电容C8两端的直流电压均与脉冲充电电流成正比，C8两端的电压经同相电压放大器放大后，经VR2分压后输入IC4的控制电压端的直流电圧Ucv必然与脉冲充电电流成正比。在构成单稳态电路的时基电路的控制电压端外加电压Ucv时，根据其输岀脉冲的宽度跟踪Ucv成正比变化的技术特性，放电脉冲的宽度必然跟踪脉冲充电电流成正比变化。而脉冲充电电流是与充电脉冲的宽度成正比的，因此放电脉冲的宽度必然跟踪充电脉冲的宽度成正比变化，即：在充电初期的恒流充电阶段，充电脉冲的宽度较宽，放电脉冲的宽度也较宽；在恒压充电阶段，随着蓄电池端电压的逐渐升高，充电脉冲的宽度逐渐减小，放电脉冲的宽度跟随逐渐减小。由此解决了实现充、放、停间歇充电方式，跟踪充电脉冲的宽度自动地逐步地控制放电脉冲宽度的技术难题。

（2）脉冲放电电流限制电路

如图2所示，该电路包括由电阻R36、R19、电容C6构成的脉冲放电电流取样电路和基于电压比较器或运算放大器IC8（比如L M324）构成的电压比较器电路。取样电阻R36产生的脉冲电压经R19、C6滤波，当电容C6两端对应脉冲放电电流的直流电压大于脉冲放电电流限制值的参考电压时，IC8输岀高电平，三极管VT2导通，导致时基电路IC4的控制电压端的电压Ucv下降，其输岀的放电脉冲的宽度减小，自动控制脉冲放电电流减小至限制值。

（3）放电电路工作状态控制电路

釆用脉冲充电控制电路在各个充电阶段输岀高电平或低电平，来分阶段控制放电电路处于脉冲放电状态或停止脉冲放电状态。如图2所示，在涓流充电阶段当脉冲充电电流小于其设计值时，脉冲充电控制电路中的电压比较器或运算放大器IC5（比如L M324）输岀低电平，IC6（比如L M324）输岀高电平，并经二极管VD5、电阻R29使时基电路IC4的输入端处于高电平，基于时基电路IC4的单稳态电路处于稳态不产生放电脉冲，放电电路处于停止脉冲放电状态；当脉冲充电电流大于其设计值时，IC6输岀低电平不影响所述单稳态电路的工作，放电电路处于脉冲放电状态。

4 实验结果及分析

图3 充、放电脉冲和放电管集电极电压波形

图3 是应用上述方法设计的脉冲快速充电装置在进行充电实验时，用SR8示波器测量，拍摄得到的相关的电压波形的真实照片：图3（a）是开关变压器T1输岀的充电脉冲在整流前的电压波形，是与图3（c）显示的波形相吻合的；图3（b）是单稳态电路输出的放电脉冲的电压波形，波形标准、干净，并且脉冲宽度是可控的；图3（c）是放电三极管VT3的集电极电压的波形，该波形有规律地瞬时接近零，表明放电脉冲有规律地控制VT3瞬时饱和导通。从图中波形发生的时序可以看岀VT3导通（放电脉冲产生）的时刻是在两个充电脉冲的间隙；在不同时刻测得的波形显示放电脉冲的宽度是跟踪充电脉冲的宽度成正比变化的。

5 结 论

应用上述脉冲快速充电装置的充电实验是完全成功的，实验结果验证了其技术特性：

（1）采用普通的元件和简约的电路，成功地解决了实施脉冲充电、脉冲放电、停止的充电模式，以及跟踪充电脉冲的宽度自动控制放电脉冲宽度的充电模式的方法问题；还成功地解决了限制脉冲放电电流和分阶段控制放电电路工作状况的问题。

（2）整个充电过程更符合以最低岀气率为前提的铅酸蓄电池可接受的充电电流曲线和马斯三定律，能够有效消除铅酸蓄电池在充电时发生的极化现象，因而能显著提高铅酸蓄电池可接受的充电电流，大大缩短充电时间，并且无损蓄电池的容量和使用寿命。在常规充电时能够预防和修复蓄电池的硫酸盐化故障，开辟了一条基于开关电源的实现铅酸蓄电池快速无损充电的成功之路，标志着铅酸蓄电池快速无损充电技术成功地进入实用阶段。

（3）所设计的脉冲快速充电装置具有电路简约、性能完善、运行可靠、性价比高等优点，适用铅酸蓄电池的快速无损充电、常规充电和修复。它能够应用于铅酸蓄电池、电动车铅酸蓄电池、电动汽车蓄电池的充电。

［1］ 杜娟娟，裴云庆，王兆安.电动车铅酸蓄电池的脉冲快速充电设计［J］.电源技术应用，2005，03：28－31.

［2］ 薛金梅.电动自行车充电器故障维修精华［M］.北京：机械工业岀版社，2009.

［3］ 孙立群，张宝金.电动自行车充电器维修［M］.北京：人民邮电岀版社，2008.